AVT-381. Radiomodem z USB P R O J E K T Y

Transkrypt

1 P R O J E K T Y Radiomodem z USB AVT-381 W ostatnim czasie można zaobserwować szybki wzrost liczby oferowanych urządzeń komunikujących się bezprzewodowo. Największe zapotrzebowanie na ten rodzaj transmisji obserwuje się w sprzęcie komputerowym oraz telefonii komórkowej. W artykule przedstawiamy przykład konstrukcyjny nowoczesnego radiomodemu z interfejsem USB. Rekomendacje: szczególnie polecamy tym użytkownikom komputerów, którzy chcą samodzielnie wykonać bezprzewodowe połączenie pomiędzy komputerami, a także twórcom nowoczesnych aplikacji telemetrycznych. Największą popularnością cieszą się dwa rodzaje transmisji bezprzewodowej: transmisja w podczerwieni oraz transmisja radiowa. Pierwotnie, w aplikacjach lokalnych, podczerwień cieszyła się większym powodzeniem, ale obecnie jest ona wypierana przez tory radiowe różnego typu. Najpoważniejszymi wadami torów IR (InfraRed) są niewielkie uzyskiwane zasięgi oraz konieczność zapewnienia wzajemnej widzialności urządzeń. Znacznie większe możliwości oferuje komunikacja radiowa, która pozwala na oddalenie współpracujących ze sobą urządzeń, a także uzyskanie znacznie większych prędkości transmisji. Głównym polem zastosowań komunikacji radiowej są obecnie sieci komputerowe (Wireless LAN do 108 Mbd) oraz urządzenia z interfejsami Bluetooth (do 4 Mbd). Modem radiowy, którego budowę opisano w artykule, umożliwia przesył danych z mniejszymi prędkościami, ale zyskała na tym prostota konstrukcji. Dane można przesyłać w trybie half-duplex z prędkością równą 9600 bd i mocą +10 dbm. Schemat blokowy urządzenia pokazano na rys. 1. Sprzężenie z komputerem odbywa się poprzez interfejs USB, dzięki czemu instalacja jest bardzo prosta, a dodatkowo do pracy nie jest wymagane zewnętrzne zasilanie, gdyż do zasilania modemu wykorzystano napięcie dostępne na tym złączu. Tor radiowy został wykonany przy użyciu prezentowanych już na łamach EP modułów radiowych firmy Chipcon typu CC1000PP. Transmisja radiowa jest realizowana przez te moduły, na ich wyjściu otrzymuje się sygnały cyfrowe odpowiadające przesyłanym danym. Ponieważ transmisja radiowa, oprócz danych użytecznych, musi zawierać dodatkowe informacje związane z synchronizacją nadajnika z odbiornikiem, nie jest możliwe bezpośrednie przesyłanie danych odbieranych z komputera. Są one formowane w ramki o maksymalnej długości 64 B, z czego 54 B przeznaczono na dane, a pozostałe służą do sygnalizacji. Jeśli długość pakietu danych wysyłanych przez komputer przekracza 54 B, to modem wstrzymuje przesyłanie danych z komputera sygnałem CTS i wysyła pakiet drogą radiową. Następnie odbierana jest kolejna paczka bajtów z komputera i wysyłana radiowo. Dzięki temu można przesyłać pliki przekraczające pojemność bufora modemu bez obawy o utratę danych. Dodatkową zaletą jest przeźroczystość transmisji, co oznacza, że modem przesyła dowolne dane zorganizowane bajtowo, a nie tylko znaki ASCII. Szczegóły realizacji transmisji zostaną omówione w dalszej części artykułu. Sprzężenie modemu z interfejsem USB zostało wykonane przy użyciu scalonego konwertera USB<- ->RS232, dzięki czemu z punktu widzenie mikrokontrolera sterującego modemem komunikacja z komputerem przebiega w taki sam sposób jak poprzez standardowy port RS232. Prędkość tej transmisji jest ustalona na bd, aby jak naj- 10

2 Rys. 1. Schemat blokowy modemu szybciej przesłać dane pomiędzy komputerem i mikrokontrolerem. Podstawowe parametry modemu przedstawiono w tab. 1. Jak widać modem, nie może być zastosowany do przesyłania plików o dużej objętości i nie nadaje się do stworzenia bezprzewodowej sieci komputerowej, jednak z powodzeniem można przysyłać nim, na przykład niewielkie pliki tekstowe, wysłać wyniki pomiarów z jakiegoś czujnika czy przeprowadzić rozmowę w postaci tekstowej w sposób zbliżony do tego, który ma miejsce w komunikatorach internetowych. Opis budowy Schemat elektryczny modemu przedstawiono na rys. 2. Urządzenie składa się z dwóch zasadniczych części: konwertera USB<- ->RS232 oraz modemu radiowego wykonanego na module CC1000 (U2) i sterującego nim mikrokontrolera. Konwersja USB<->RS232 jest wykonywana przez specjalizowany układ FT232BM, dzięki czemu po podłączeniu do komputera na wyjściu układu otrzymuje się sygnały zgodne ze standardem RS232. Schemat konwertera USB<-> RS232 jest typową aplikacją zalecaną przez producenta. Jedyną różnicą w stosunku do podstawowej aplikacji jest zastosowanie oddzielnego napięcia zasilania dla układu FT232BM oraz umieszczonego wewnątrz interfejsu wejścia/wyjścia. Cały układ jest zasilany bezpośrednio ze złącza USB napięciem o wartości 5 V, natomiast moduł wejścia/wyjścia napięciem 3 V. Potrzeba rozdzielenia napięć zasilania wynika z faktu, że pozostałe elementy modemu pracują właśnie z takim napięciem zasilania, co w prosty sposób umożliwiło dopasowanie poziomów napięć. Do komunikacji układu FT232BM z mikrokontrolerem wykorzystywane są cztery linie: transmisyjne (RXD, TXD) i linie sterujące przepływem danych (RTS, CTS). Sygnał CTS pozwala na zatrzymanie wysyłania danych przez komputer w przypadku zapełnienia bufora modemu, dzięki czemu nie następuje utrata danych, a tylko wstrzymanie transmisji na czas wysłania tych danych drogą radiową. Po wysłaniu pakietu danych drogą radiową modem zezwala na wysłanie przez komputer kolejnej paczki danych. Natomiast sygnał RTS informuje modem, czy komputer jest gotowy na odbiór danych. W modemie sygnał ten nie jest wykorzystywany i założono, że komputer jest zawsze gotowy. Założenie to wynika z faktu, że przesłanie danych z układu FT232BM do komputera przebiega znacznie szybciej niż z mikrokontrolera do układu FT232. Dodatkowo układ FT232 posiada wewnętrzną pamięć buforującą (FIFO) o pojemności 384 bajtów, co dodatkowo zapewnia gotowość do odbioru danych. Sterowaniem całego modemu zajmuje się mikrokontroler typu PIC16LF876A. Jest to niskonapięciowa wersja mikrokontrolera przystosowana do pracy od napięcia zasilania równego 2 V. Procesor pracuje z częstotliwością 10 MHz stabilizowaną zewnętrznym rezonatorem kwarcowym. Ze względu na obniżone napięcie zasilania konieczne stało się zastosowanie zewnętrznego układu generującego sygnał reset przy włączeniu zasilania. Moduł zawarty w mikrokontrolerze powoduje reset po obniżeniu napięcia poniżej wartości 4 V i dlatego został wyłączony, a zastosowany został układ zewnętrzny reagujący na napięcie o wartości około 2,7 V Tab. 1. Charakterystyka modemu z interfejsem USB Interfejs USB Zasilanie ze złącza USB Transmisja radiowa z prędkością 9600 bd Transmisja RS232 z prędkością bd Praca half-duplex Pakietowe przesyłanie danych ze sprzętowym sterowaniem przepływem Maksymalna pojemność bufora danych wynosi 54 B Przeźroczystość transmisji Moc nadajnika +10 dbm Sygnalizacja stanu pracy za pomocą trzech diod świecących Automatyczne przełączanie nadawanie/odbiór typu MCP Zasilanie mikrokontrolera napięciem 3 V jest podyktowane koniecznością przystosowania poziomów napięć wymaganych dla współpracy z modułem CC1000PP, który może być zasilany maksymalnym napięciem równym 3,6 V. Zasilanie procesora takim napięciem obniża jego maksymalną częstotliwość pracy z wartości 20 MHz na 10 MHz, co zmniejsza jego moc obliczeniową. Jest to jednak najprostszy sposób dopasowania napięć mikrokontrolera i układu CC1000. Zasilenie procesora napięciem 5 V wymagałoby zastosowania dodatkowych konwerterów napięć, co spowodowałoby rozbudowanie całego układu. A przy zastosowanym rozwiązaniu wszystkie układy mogą być połączone ze sobą bezpośrednio. K o m u n i k a c j a z m o d u ł e m CC1000PP odbywa się poprzez trójprzewodowy interfejs SPI umożliwiając ustawienie parametrów pracy transmisji radiowej. Do wysyłania lub odbierania danych przesyłanych drogą radiową wykorzystywane są dwa dodatkowe sygnały oznaczone jako DCLK i DIO. Sygnał DCLK jest sygnałem zegarowym, w takt którego przesyłane są dane po linii DIO. Sygnał DCLK generowany jest przez moduł CC1000PP, natomiast po linii DIO może być przesyłana informacja zarówno w stronę mikrokontrolera, jak również od mikrokontrolera w stronę układu CC1000. Kierunek jest uzależniony od trybu pracy modułu. Częstotliwość sygnału zegarowego jest stała i zależna od prędkości w torze radiowym. Ponieważ w przedstawionym modemie jest ona ustalona na wartość 9600 bd, dlatego taki też sygnał występuje na wyjściu DCLK. Do sygnalizacji stanu pracy modemu służą diody świecące D1 D3. Zworka JP1 służy do wyboru maksymalnej przerwy w transmisji danych z komputera (timeout), po której zakończy się odbiór danych i rozpocznie się transmisja radiowa. Zasilanie modemu zostało zrealizowane za pomocą stabilizatora typu LP2950, na którego wyjściu otrzymuje się napięcie o wartości 3 V wymagane do pracy modułu CC1000PP. Ponieważ modem pobiera niewielki 11

3 Rys. 2. Schemat elektryczny modemu Preambuła (4B) Bajt 0xCC Bajt 0x33 Bajt 0x01 Liczba danych(1b) Dane(Max 54B) Rys. 3. Budowa ramki danych wysyłanych drogą radiową prąd (maksymalnie około 50 ma), więc zasilany jest bezpośrednio ze złącza USB, co znacznie upraszcza jego sprzężenie z komputerem. Zasada działania Dane wysyłane drogą radiową formowane są w ramki zawierające dane pobrane z komputera oraz dodatkowe bajty kontrolne niezbędne dla poprawnej pracy modemu. Budowa pojedynczej ramki danych jest przedstawiona na rys. 3. Preambuła składa się z czterech bajtów, w których kolejne bity zmieniają się naprzemiennie Bity te mają na celu dopasowanie układu wejściowego w modemie do odbioru danych. Kolejne dwa bajty są charakterystycznymi bajtami weryfikującymi - jeśli odbiornik odbierze prawidłowo te bajty o znanej wartości, to uznawane jest, że sygnał radiowy jest prawidłowy i można odbierać kolejne bajty. Następny bajt jest bajtem rezerwowym i w danej aplikacji nie jest wykorzystywany i przyjmuje wartość 01hex. Następny bajt określa ile bajtów danych zostanie wysłanych, liczba ta jest zmienna i zależna od tego ile bajtów zostało wysłanych z komputera do modemu. Pozostałe bajty określone jako Dane są właściwymi bajtami wysłanymi przez komputer. Na rys. 4 przedstawiony jest uproszczony algorytm pracy mikrokontrolera. Po włączeniu zasilania następuje inicjalizacja wszystkich parametrów pracy zarówno mikrokontrolera, jak również modułu CC1000PP. Po tej czynności układ CC1000 jest przystosowany do pracy z prędkością 9600 bps i mocą nadawania +10 dbm. W tym momencie znajduje się jednak w trybie odbiornika, a mikrokontroler pracuje w trybie oczekiwania (świeci tylko dioda D1-żółta). Dioda ta sygnalizuje także poprawną pracę modułu radiowego - jeśli modułu nie uda się skalibrować, to nie zostanie zapalona. Fakt ten 12

4 Rys. 4. Algorytm pracy mikrokontrolera może sygnalizować uszkodzenie modułu radiowego. W tym trybie sprawdzane jest, czy nie pojawiły się dane z komputera oraz na bieżąco analizowane są dane odbierane z modułu radiowego, aby wykryć ewentualny początek transmisji danych. W ten sposób modem przełącza się w tryb nadawania lub odbioru w zależności od tego, skąd nadeszły dane w pierwszej kolejności. Jeśli wykryty zostanie początek transmisji radiowej, to modem zostanie przełączony w tryb odbiornika, sygnałem CTS zostanie zablokowana możliwość wysyłania danych do modemu przez komputer. Odbierane bajty są zapisywane w buforze RX, a następnie wysyłane do układu FT232B poprzez który trafiają do komputera. Po odebraniu całego pakietu modem przechodzi w tryb czuwania ponownie analizując sygnały pochodzące z toru radiowego i komputera. Na czas odbioru pakietu danych zostaje zapalona dioda D2 (zielona). Równolegle ze sprawdzaniem toru radiowego mikrokontroler sprawdza, czy nie są wysyłane dane przez komputer. Odbiór danych z komputera odbywa się poprzez sprzętowy sterownik transmisji szeregowej, dzięki czemu cały bajt jest odbierany niezależnie od jednostki centralnej mikrokontrolera (analogicznie wysyłanie danych do komputera sprowadza się do wpisu do rejestru sterownika sprzętowego). Jeśli poprzez port szeregowy zostanie odebrany bajt danych, to modem odbiera kolejne bajty, aż do zapełnienia wewnętrznego bufora (54 bajty) lub przerwy pomiędzy kolejnymi bajtami dłuższej niż założona (timeout). Za pomocą zworki JP1 można zmieniać ten czas dopasowując modem do danego terminala. Jeśli zworka będzie rozwarta, to czas timeout wynosi 15 ms, jeśli zaś będzie zwarta, to czas ten odpowiada wysłaniu pięciu bajtów, co dla prędkości bps wynosi około 870 ms. W praktyce oznacza to, że po wysłaniu do modemu jednego bajta drogą radiową zostanie on wysłany dopiero po czasie 15 ms dla przypadku pierwszego i po 870 ms dla przypadku drugiego. Zróżnicowanie czasu timeout zostało wprowadzone, ponieważ w programie Hyperterminal przy wysyłaniu pliku czas pomiędzy poszczególnymi bajtami wynosi około 12 ms, natomiast w przypadku, na przykład terminala ByBray kolejne bajty wysyłane są bez przerw. Dlatego aby przyśpieszyć proces przesyłania danych w zależności od zastosowanego programu należy wybrać odpowiedni czas, gdyż zastosowanie dla Hyperterminala czasu 870 ms będzie powodowało, że z powodu długich przerw pomiędzy kolejnymi bajtami, po każdym bajcie modem będzie wstrzymywał transmisję i wysyłał odebrany bajt torem radiowym. Natomiast zastosowanie wydłużonego czasu timeout dla Terminala ByBray spowoduje niepotrzebne oczekiwanie czasu 15 ms na zakończenie transmisji, gdy fakt ten można stwierdzić już po czasie 870 ms. Po wykryciu jednego ze stanów (przekroczenia czasu lub zapełnienia bufora) następuje zatrzymanie wysyłania danych przez komputer (sygnałem CTS), a modem zostaje przełączony w tryb nadawania. W trybie tym zostaje zapalona dioda D3 (czerwona). Po wysłaniu pakietu danych modem przechodzi w tryb czuwania oczekując na kolejne dane radiowe i szeregowe z komputera. Oprogramowanie sterujące mikrokontrolerem nie kontroluje poprawności przesłanych danych poprzez dodatkowe bajty sumy kontrolnej lub CRC, gdyż w przypadku wykrycia błędów w transmisji modem pracujący w trybie odbioru musiałby zostać przełączony w tryb nadawania i wysłać do modemu nadawczego informację o tym fakcie. Jednak modem nadawczy w tym momencie może wysyłać kolejne dane, co uniemożliwi odebranie tej informacji, a dodatkowo zostałyby utracone kolejne dane, gdyż modem odbiorczy byłby w trybie nadawania. Dlatego jeśli zachodzi potrzeba kontrolowania poprawności transmisji procedurę taką musi wykonywać aplikacja sterująca pracą modemów dodając do każdego pakietu danych dodatkowe informację kontrolne. Montaż Modem został zmontowany na płytce dwustronnej, której widok jest przedstawiony na rys. 5. Ponieważ w modemie zostały użyte głównie elementy SMD montaż należy przeprowadzić bardzo precyzyjnie. Ponadto w celu zmniejszenia wymiarów płytki elementy zostały rozmieszczone 13

5 Rys. 5. Rozmieszczenie elementów na płytce modemu po obu stronach płytki, co dodatkowo komplikuje montaż. Jednak dzięki temu wymiary płytki mogły zostać zmniejszone niemalże o połowę. Montaż należy rozpocząć od elementów umieszczonych od strony lutowania (Bottom Layer). W pierwszej kolejności należy wlutować układy scalone (U1, U3, U4), a następnie rezystory i kondensatory. Na stronie elementów (Top Layer) znajdują się zarówno elementy SMD jak również przewlekane. W pierwszej kolejności należy wlutować kondensatory C1 C4, następnie rezonatory kwarcowe, dalej układ U5 i zworkę JP1. Na końcu należy wlutować złącze CON1 oraz diody świecące. Moduł radiowy można wlutować bezpośrednio w płytkę, co zmniejszy wysokość modemu, jednak zalecane jest zastoso- Rys. 6. Sposób montażu anteny wanie podstawki, co z kolei umożliwi bezpieczniejszy montaż modułu i ewentualny demontaż. Do montażu anteny przewidziane zostało złącze typu SMA, jednak ze względu na jej koszt zastosowana została antena innego typu, przystosowana do bezpośredniego wlutowania w płytkę. Z uwagi na to, w miejsce złącza SMA należy wlutować dwa krótkie odcinki drutu miedzianego, a następnie do nich dolutować antenę. Szczegóły montażu anteny przedstawia rys. 6. Do pracy wymagane są co najmniej dwa modemy, dlatego należy zmontować w analogiczny sposób drugi egzemplarz. Po zmontowaniu obu egzemplarzy można przejść do procedury uruchamiania. Współpracujących ze sobą modemów może być kilka, jednak w tym samym czasie może nadawać tylko jeden, a pozostałe mogą odbierać równolegle dane. Może to być wykorzystane do wysyłania, na przykład wyników pomiarów do kilku komputerów jednocześnie. Instalacja Zmontowany modem należy podłączyć do komputera kablem USB A-B, po podłączeniu system operacyjny wykryje dołączenie konwertera USB<->RS232 i zainicjuje procedurę instalacji sterowników (znajdują się na stronie producenta zip). W otwartym oknie należy wybrać Zainstaluj z listy lub określonej lokalizacji. W nowo otwartym oknie należy wskazać ścieżkę dostępu do sterowników (rys. 7). Następnie zostanie wykryty port szeregowy USB i analogicznie należy wskazać ścieżkę dostępu do katalogu zawierającego sterowniki. Po tych czynnościach w systemie będzie widoczny dodatkowy port szeregowy, poprzez który będzie można komunikować się z modemem. Do przesyłania danych tekstowych można zastosować Hyperterminal, jednak do prezentacji bardziej nadaje się nieco inny terminal, który można pobrać ze strony velenje.cx/avr/terminal/dl.php. Jest to darmowy terminal o możliwościach większych niż ten, w który jest wyposażony system Windows. Okno terminala jest przedstawione na rys. 8. Parametry transmisji muszą być ustawione następująco: prędkość bps, jeden bit stopu, bez parzystości, sterowanie przepływem danych sprzętowe. Po skonfigurowaniu programu na dwóch komputerach można SPIS ELEMENTÓW Rezystory R1...R3: 220 V 0805 R4: 10 V 0805 R5, R6: 27 V 0805 R7: 1,5 kv 0805 R8: 470 V 0805 Kondensatory C1: 2,2 mf/35 V 6032 C2: 100 nf 0805 C3: 10 uf/10 V 3528 C4: 100 nf 0805 C5: 100 nf 0805 C6: 33 nf 0805 C7, C8: 15p F 0805 C9: 100 nf 0805 C10, C11: 15 pf 0805 C12: 100 nf 0805 Półprzewodniki D1: LED 3 mm żółta D2: LED 3 mm zielona D3: LED 3 mm czerwona U1: PIC16LF876A SO28 zaprogramowany U2: Moduł radiowy CC1000PP U3: FT232BM U4: MCP SOT23 U5: LP TO92 Inne JP1: Goldpin 1x2 + zworka CON1: Gniazdo USB-B X: kwarc 10 MHz niskoprofilowy X1: kwarc 6 MHz niskoprofilowy Antena 433 MHz - TCA07FRE (Tri- COME) -1 szt. Goldpin żeński 1x6-2 szt. 14

6 Radiomodem z USB Rys. 7. Okno instalatora Windows wskazujące katalog ze sterownikami przejść do przetestowania komunikacji. Terminal By Bray posiada dwa okna edycyjne: w górnym oknie będą pojawiały się dane odbierane przez modem, nato miast w dolnym dane wysyłane do modemu (znaki wpisywane z klawiatury). W ten sposób można W ofercie handlowej AVT są dostępne: - [AVT-381A+] płytka drukowana z zaprogramowanym układem PIC16LF876A - moduły radiowe CC1000PP Rys. 8. Ustawienie parametrów terminala prowadzić rozmowę w podobny sposób jak to ma miejsce w komunikatorach internetowych, tylko że w tym przypadku komputery nie muszą posiadać dostępu do Internetu. W czasie rozmowy należy przestrzegać zasady: w danym czasie pisać może tyl- ko jedna osoba, w przeciwnym przypadku część danych zostanie zgubiona. Wynika to z trybu pracy modemu w tym samym czasie transmisja może przebiegać tylko w jedną stronę. Krzysztof Pławsiuk, EP krzysztof.plawsiuk@ep.com.pl 15